За ней гонятся все, особенно Apple. Что такое пропускная способность чипа и за что она отвечает в компьютере

После запуска процессоров серии М в Apple сделали популярной ещё одну характеристику компьютеров, на которую никто раньше не смотрел.

Почти каждую презентацию компания рассказывает, что повысила пропускную способность в своих процессорах и показывает поразительный слайд, в котором опережает CPU от Intel и AMD в несколько раз.

Что это даёт на практике, люди не понимают. А на самом деле ошеломительный рекорд для индустрии есть и победить его не смогут ещё десяток лет, но есть в этой истории жирная звёздочка.

Apple не была с нами полностью честна.

Ниже расскажу, для чего нужная пропускная способность в компьютерах, как её замеряют и почему большинство Mac теперь одновременно на три головы выше и в то же время значительно хуже ПК по этому показателю.

Давайте сначала коротко определим, что это за загадочный, но важный показатель и почему Apple вообще уделяет ему внимание.

Разделы:

• • Что такое пропускная способность и где она нужна
  • От чего зависит пропускная способность и как её считают
  • Почему в CPU и GPU на ПК разная пропускная способность
  • Чем отличаются процессоры Apple
  • Почему процессоры Apple одновременно лучше и хуже конкурентов
  • Как от производительности чипа зависит пропускная способность
  • Почему Apple использует особую оперативную память, которой нет в ПК и GPU
  • Что показывают реальные тесты и какие выводы сделал

Что такое пропускная способность и где она нужна

На презентациях Apple об этой характеристике рассказывают почти каждый раз

Пропускная способность в компьютерах показывает очень простую величину. Она означает количество данных, которое передаётся между процессором и оперативной памятью за одну секунду. Обозначается через ГБ/с.

Это такие же важные «ворота» по доставке данных из постоянного хранилища к процессору, как объём оперативной памяти или скорость SSD.

❗️ Характеристика рассчитывается и называется одинаково и для CPU, и для GPU.

Чем выше пропускная способность, тем быстрее чипы получат данные для обработки и выдачи результата.

> CPU нужна высокая пропускная способность, чтобы быстрее обрабатывать данные в больших таблицах, симулировать инженерные проекты, компилировать программы и запускать виртуальные машины.

> GPU нужна высокая пропускная способность, чтобы быстрее рендерить текстуры в играх и видео в 4К и 8К разрешении, обрабатывать сложную геометрию с большим количеством треугольников и обучать нейросети. То есть у характеристики задача провести как можно больше данных из VRAM в процессор в параллельных потоках.

И хотя для обоих компонентов характеристика рассчитывается одинаково, пропускная способность у CPU и GPU сильно отличается в ПК, но не у Apple.

И вот как её вычисляют.

От чего зависит пропускная способность и как её считают

Технология помогает быстрее работать даже Nanite в Unreal Engine

Пропускная способность системы напрямую измеряется тремя показателями.

Шина представляется из себя «мост» в виде набора проводников, контактов и приёмника-контроллера памяти, по которому передаются данные между оперативной памятью и процессору. Означает, сколько бит будет передано с 1 Гц внутри одного цикла RAM. Измеряется в битах.

Тактовая частота оперативной памяти показывает, сколько раз за секунду ячейка оперативной памяти может связаться с контроллером памяти, установленным в процессор. Измеряется в МГц или МТ/с.

Современная RAM умеет передавать данные во время и роста, и падения напряжения при обмене между компонентами, поэтому называется DDR или Double Data Rate.

В связи с этим тактовую частоту указывают чаще как MT/с, то есть показатель МГц, умноженный на два.

Параллельные каналы позволяют увеличить количество данных, доставляемых одновременно. Поэтому на материнской плате нужно устанавливать плашки RAM в нужные сокеты. От этого зависит, будет информация передаваться по одному каналу или двум.

Жёлтыми полосами обозначены контакты, по которым с тактовой частотой (МГц или МТ/с) информация передаётся по шине через два канала

Чтобы рассчитать пропускную способность системы, нужно:

1. Перевести ширину шины из бит в байты
2. Умножить на частоту памяти указанную в МТ/с
3. И умножить на количество параллельных каналов.

Формула выглядит так:

X байт * Y МТ/с * Z каналов

То есть в CPU с поддержкой шины 64 бит на материнскй плате c двумя плашками RAM от Corsair со скоростью 9200 МТ/с максимальная пропускная способность равна:

64/8*9200*2‎ = 147 200 МБ/с

Или 147,2 ГБ/с по логике производителей чипов.

Однако это теоретический максимум. Фактически у CPU она значительно ниже, а у GPU намного выше, так как там больше двух каналов, а разрядность шины выше.

Посмотрим на примеры.

Почему в CPU и GPU на ПК разная пропускная способность

В ПК пропускная способность CPU ограничена в первую очередь совместимостью всех компонентов.

Сейчас почти все потребительские процессоры ПК, плашки RAM и материнские платы создаются для поддержки шин шириной 64 бита.

Если в ПК хотя бы один компонент адаптируют под 128 бит, менять на физическом уровне придётся все остальные. Это значит покупка новых чипов, плат и плашек для конечного пользователя.

Поэтому CPU в ПК несколько лет не развиваются в этой области и есть имеют границу в 100 ГБ/с, за которую выходят редко и особыми способами.

Например, топовый Intel Core i9-14900K имеет пропускную способность 90 ГБ/с, а дешёвый Intel Core i3-14100F поддерживает всего 77 ГБ/с.

Показателей выше добиваются распаиванием RAM рядом с процессором, но на ПК так делают редко. Например, AMD Threadripper Pro имеет 200 ГБ/с, а Qualcomm X Elite при низком энергопотреблении поддерживает около 100 ГБ/с.

У разных процессоров свой тип RAM. Подробнее об этом ниже

В GPU, напротив, ограничения на битность и совместимость с ней нет.

NVIDIA и AMD распаивают VRAM прямо на плате, поэтому могут проектировать процессоры и остальную архитектуру видеокарт (включая количество потоков) с поддержкой шин разрядностью 128, 256, 384 и с недавнего времени 512 бит.

Это нужно для параллельной обработки данных, связанных с координатами, шейдерами, трассировкой лучей и так далее. Подробнее о разнице процессоров рассказывал здесь.

Поэтому пропускная способность RTX 5090, например, достигает 1792 ГБ/с, а даже дешёвая Radeon < em >RX 6500 XT за 30 000 рублей поддерживает 144 ГБ/с (уровень M3 Pro за 200 000 рублей) и опережает топовые CPU.

По этой же причине и Apple не ограничена разрядностью в 64 бита и имеет полный контроль над тем, какую пропускную способность установить в каждый класс своих процессоров.

Поэтому в Mac этот показатель делится на совсем другие значения.

Чем отличаются процессоры Apple

С таких показателей компания начала процессорами M1

Вместо отдельных для CPU и GPU модулей оперативной памяти Apple использует объединённую память.

В связи с этим пропускная способность в CPU и GPU теоретически одна, поскольку поступает от одной RAM на один чип, в котором сразу есть центральный процессор и графика.

У процессоров Apple есть чёткое разграничение по пропускной способности в зависимости от класса чипа.

В пример возьмем текущую линейку:

▪︎ M4 120 ГБ/с
▪︎ M4 Pro 273 ГБ/с
▪︎ M4 Max 410 или 546 ГБ/с
▪︎ M2 Ultra 800 ГБ/с.

За 4 года с релиза у первых трёх классов пропускная способность выросла приблизительно на 30%.

В M1 было всего 70 ГБ/с пропускной способности, M2 и M3 уже 100 ГБ/с, в M1 Pro она была 200 ГБ/с, а в M1 Max начиналась с 400 ГБ/с. Исключением был и без того странный M3 Pro, в котором на одно поколение пропускную способность снижали до 150 ГБ/с.

Актуальная линейка даёт эти скорости

Из-за особенности архитектуры, в которой CPU и GPU находятся на одном чипе, процессоры получают данные из одной шины.

Поскольку GPU всегда имеет более высокую пропускную способность, в таком чипе именно она будет диктовать необходимый минимум для обоих блоков.

Общая пропускная способность, в отличие от оперативной памяти, не делится пополам. То есть теоретически CPU и GPU в процессоре M4 могут обмениваться данными с RAM со скоростью 120 ГБ/с одновременно.

Однако на деле это не так – пропускная способность CPU ниже, поскольку у CPU и GPU разные контроллеры памяти.

Ниже объясню причину и покажу разницу на реальных тестах.

Из-за особой архитектуры видим необычную закономерность, если сравнить чипы с ПК.

Почему чипы Apple одновременно лучше и хуже конкурентов

M4 быстрее Intel, но M4 Pro медленнее, чем GTX 1660 Super

Пропускная способность CPU в чипах Apple даже в самом дешёвом M4 (120 ГБ/с) опережает флагманские процессоры Intel и AMD (89,6 ГБ/с в i9-14900KS), а начиная с M4 Pro (273 ГБ/с) она опережает почти любой показатель их флагманов в разы.

Обратная ситуация с GPU. Даже такие простые видеокарты, как GeForce GTX 1650 (192 ГБ/с) и GTX 1660 Super (336 ГБ/с) обгоняют M3 Pro (150 ГБ/с) и M4 Pro (273 ГБ/с).

Флагманские Radeon RX 7900 XTX (960 ГБ/с) и RTX 5090 (сумасшедшие 1792 ГБ/с) значительно опережают даже M2 Ultra с её 800 ГБ/с, при этом стоят в два раза меньше.

На практике это значит следующее.

✅ Рекордная пропускная способность CPU позволяет Mac значительно быстрее компилировать приложения при разработке, использовать больше дорожек с минимальными задержками в музыкальных проектах, иметь более гладкий предпросмотр 8К-видео при монтаже.

Также это даёт быстрее проводить пакетную обработку фото в Lightroom, симулировать климатические изменения и потоки воды, прототипировать нейронные сети перед их обучением.

❌ Однако посредственная пропускная способность GPU на Mac, включая серию M Max, заставляет чипы серии M ощутимо отставать видеокартам в своих ценовых сегментах.

Чтобы Mac за те же деньги выдавал приемлемый результат, текстуры должны быть более низкого качества, а рендеринг видео в высоком разрешении со сложными эффектами и обработка данных во время обучения нейросетей займут больше времени.

Почему Apple не может увеличить пропускную способность ещё сильнее, чтобы всё-таки соперничать ещё и с GPU? Посмотрим на примере M4 Max.

Как от уровня производительности зависит пропускная способность

Пропускная способность напрямую зависит от потребностей процессора. Меньше ядер, меньше оперативной памяти, меньше нужна шина

Из-за объединённой памяти и обслуживании сразу двух процессоров на одном чипе в серии M высокая пропускная скорость данных требует:

▪︎ Особый тип памяти
▪︎ Более крупного контроллера памяти
▪︎ Больше дорогих и крупных чипов общей памяти
▪︎ Высокого потребления энергии

Для примера возьмём процессоры одного класса: M4 Max с 14/32 ядрами и M4 Max с 16/40 ядрами CPU/GPU.

Первый поддерживает только 36 ГБ объединённой памяти, а второй от 48 до 128 ГБ. При этом более слабый потребляет 80 Вт, а более мощный 90 Вт.

Такая разница приводит к тому, что M4 Max 14/32 имеет пропускную способность 410 ГБ/c, а M4 Max 16/40 достигает значительно более серьёзных 546 ГБ/с.

Не пропускную способность подгоняют под RAM и энергопотребление, а показатели RAM и энергопотребления диктуют возможность чипа быстрее «перегонять» данные между процессорами и объединённой памятью.

Apple не любит повышать энергопотребление, поэтому ставит шину той шириной, которая минимально нужна для конкретного графического чипа.

Но самое главное, что из-за наличия CPU и GPU в одном чипе и упоре при этом на энергоэффективность, Apple вынуждена использовать специальный тип RAM.

Почему Apple использует особую оперативную память, которой нет в ПК и GPU

В обычных компьютерах для работы CPU устанавливают универсальный тип оперативной памяти DDR, относительно медленный, но не потребляющий много энергии. Актуальное поколение называется DDR5.

В GPU рассчитанную на высокое энергопотребление и параллельные потоки GDDR, память значительно более быструю. Актуальное поколение называется GDDR6, GDDR6X и с выходом RTX 5090 GDDR7.

Apple объединяет CPU и GPU на одном чипе, а устанавливает их на мобильные устройства, где важна энергоэффективность. DDR не подходит из-за медлительности, а GDDR из-за прожорливости.

Поэтому в Mac устанавливают особый тип памяти LPDDR (Low-Power DDR).

При более высокой скорости передачи данных эти чипы потребляют меньше энергии, выделяют меньше тепла и лучше масштабируются, чем DDR и GDDR. В самых новых Mac используют поколение LPDDR5X.

Благодаря высокой энергоэффективности на один чип можно установить больше LPDDR-памяти, чем GDDR.

> Например, в M2 Ultra можно установить до 192 ГБ (из них в графике может быть задействовано около 144 ГБ), а в топовой конфигурации от NVIDIA только 32 ГБ в RTX 5090 и 80 ГБ в модели H100 для дата-центров.

Однако LPDDR не рассчитана на рекордную передачу данных за свои деньги. Из-за упора на энергоэффективность эти чипы и, соответственно, сами компьютеры Apple уступают в пропускной способности GPU, если сопоставлять два компьютера за одну и ту же стоимость.

В итоге получается, что LPDDR при том же объёме памяти стоит дороже DDR и GDDR. Хотя не настолько, как за апгрейд требует Apple.

За счёт таких особенностей LPDDR компании удаётся соблюдать баланс между относительно высокой пропускной способностью и энергопотреблением, которые не способны достичь PC и дискретные GPU.

Однако остаётся главный секрет.

Даже CPU в процессорах Apple не задействует всю пропускную способность чипа.

Провёл тест и проверил заявления Apple. Стало понятно, зачем такие компромиссы

Чтобы проверить, не обманула ли Apple настолько высокой заявленной пропускной способностью, сам замерил показатели на двух доступных мне компьютерах: MacBook Air M1 (8/8) и MacBook Pro M1 Pro (10/16).

Для измерения пропускной способности CPU использовал фреймворк STREAM, а для GPU фреймворк applegpuinfo.

Результаты показывают, что Apple всё-таки утаивает часть правды.

MacBook Air M1 (8/8)
8/8, шина 256 бит
Заявленная: 70 ГБ/с
Пропускная способность CPU: от 46,4 до 57,9 ГБ/с
Пропускная способность GPU: 68,3 ГБ/с

MacBook Pro M1 Pro
10/16, шина 256 бит
Заявленная: 200 ГБ/с
Пропускная способность CPU: от 134,3 до 153,4 ГБ/с
Пропускная способность GPU: 204,8 ГБ/с.

Оказывается, во всех своих промо материалах Apple указывает пропускную способность, с которой работает именно GPU, то есть тот самый блок процессора, которому необходим высокий показатель, чтобы просто не отставать от конкурентов.

С чем это связано, сказать сложно. Вероятно, CPU, рассчитанному каждый под свой класс, просто не нужна такая пропускная способность из-за недостатка количества ядер для обработки такого массива данных.

CPU всё ещё показывает серьёзную скорость, но она стабильно ниже заявленной до 33%, о чём Apple молчит.

Ровно как и том, что на самом деле даже самые дорогие GPU Apple в M2 Ultra за 500 000 рублей отстают от топовой GPU RTX 5090 от NVIDIA за 250 000 рублей по скорости в два раза.

Однако вряд ли компания сможет что-то с этим сделать прямо сейчас. Всё-таки, более энергоэффективные модули памяти в Mac по сравнению с ПК дают свои плоды.

Такова жертва, чтобы наши ноутбуки могли работать по 24 часа на одном заряде.

📸 Все фотографии в статье:

• До ←

  15 нужных штук на AliExpress, и почти все со скидками. Например, суперпопулярный домашний проектор

• После →

  Посмотрел новый фильм «Присутствие» (2024) от Стивена Содерберга. Его хвалят критики, но есть проблема